2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。国家杰青、复旦大学陈茂教授应邀出席，并作题为“含氟聚合物的可控合成及其在锂电池中的性能探索”的特邀报告。
含氟聚合物的可控合成及其在锂电池中的性能探索
背景介绍
锂金属电池（LMB）被认为是下一代新能源设备的重要组成部分，定制化合成含氟聚合物作为电解质材料对发展锂金属电池具有重要价值。自由基聚合是制备含氟聚合物的主要方法，但难以调控链增长过程，导致三氟氯乙烯、六氟丙烯等大宗氟烯烃的可控自由基合成非常具有挑战性。陈茂教授针对以上问题发展了光催化氟烯烃可控聚合系列方法，成功实现了精准调控主链含氟聚合物的链长与序列结构并丰富了含氟聚合物的官能化结构范围。在此基础上，陈教授课题组合成了结构精准的离子型含氟共聚物，将其作为单离子导电聚合物电解质材料与高稳定性锂金属保护层材料，揭示了序列结构对锂离子电导率的影响规律，提出了利用交替序列促进锂离子传导的新策略，并初步实现室温下锂金属对称电池的锂剥离/沉积循环和全电池充放电循环。
陈茂教授应邀在2024全国绿碳科学会议“绿色低碳材料分会场”作特邀报告
报告内容介绍
1 含氟聚合物的可控合成
含氟聚合物具有疏水、疏油、抗腐蚀等优异性能，作为密封材料、涂层材料有广泛的应用。自由基聚合是制备含氟聚合物的主要方法，但存在难以调控链长、序列结构以及官能化修饰的问题。侧链含氟丙烯酸酯聚合物可以通过ATRP、RAFT、NMP等可控自由基聚合方法获得，但三氟氯乙烯、六氟丙烯等大宗氟烯烃的可控自由基合成仍然非常困难。
陈茂教授介绍了课题组近年基于光催化手段实现含氟聚合物的可控合成。比如，通过调节光催化剂氧化还原电势，有效控制自由基物种的低浓度；通过设计含氟光催化剂，有效促进聚合体系的传质过程；光催化手段还能避免金属催化剂残留，实现更好的官能团容忍性，以及通过简单的开灯/关灯控制聚合反应的启动/停止。含氟光催化剂或链转移剂增强了聚合过程中含氟聚合物的链端保真度，可实现光照下与其它乙烯基单体共聚的扩链反应以及官能化含氟聚合物的合成，比如磺酸锂、膦阳离子、儿茶酚等官能化含氟聚合物。含氟聚合物化学结构的精准控制为性能提升及应用拓展提供了基础。
含氟聚合物的可控合成
2 含氟聚合物在全固态锂电池中的应用
陈茂教授指出，全固态锂金属电池相对于传统锂离子电池具有更高的理论能量密度(3860 mAh/g vs 372 mAh/g)，但活泼的负极锂金属易与小分子发生反应带来安全隐患，因此惰性的聚合物成为了理想的电解质材料。
陈茂教授课题组通过中性单体和含氟离子型单体的交替聚合，顺利将含氟聚合物的侧链离子型基团与中性基团分开，合成了全新结构的离子型含氟聚合物，大幅提高了锂离子电导率，并在室温条件下初步实现了锂金属对称电池的锂剥离/沉积循环和全电池充放电循环。
含氟聚合物在全固态锂金属电池中的应用
3 含氟聚合物作为锂金属负极保护层
为了挖掘离子型含氟聚合物的应用潜力，陈茂教授课题组进一步将交替结构含氟聚合物应用于锂金属负极作为保护涂层。通过该聚合物侧链部分的磺酰氟基团与锂金属表面的氢氧化锂薄层反应，原位产生顶层富含柔性导离子聚合物、底层富含LiF的“有机-无机杂化”固态电解质界面，自发形成“刚柔并济”的层级结构，同时赋予了SEI良好的机械强度、柔韧性、高离子传导性和低过电位，对锂沉积稳定性、电池库伦效率与循环稳定性等方面实现了提升。
含氟聚合物作为锂金属负极保护层
4 总结
在报告的最后，陈茂教授简要总结了课题组近年发展的光催化氟烯烃可控聚合的系列方法，能够精准调控主链含氟聚合物的链长、分子量分布、序列结构、拓扑结构以及官能化结构等，揭示了新结构含氟聚合物在锂金属电池中的独特性能与应用潜力。他对未来含氟聚合物的可控聚合、官能化修饰以及在能源领域的应用充满信心。
专家介绍
陈茂 教授
陈茂，复旦大学高分子科学系教授、博士生导师。2006年、2011年于武汉大学化学与分子科学学院获得学士、博士学位，2012-2016年于美国麻省理工学院从事博士后研究工作。2016年加入复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室，历任研究员、教授。主要研究方向包括：含氟聚合物可控合成，高性能含氟聚合物材料，机器学习与流动化学合成促进的高分子化学研究（http://www.polymaolab.cn）。独立工作以来，作为通讯/共同通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Synth.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem.Rev.等期刊上发表论文60余篇，获得ACS PMSE Young Investigator Award，Dow Innovation Challenge Award，Thieme Chemistry Journals Award、RSC Polymer Chemistry Pioneering Investigator等荣誉。
原文链接
陈茂教授与Green Carbon | 含氟聚合物的可控合成及其在锂电池中的性能探索
Green Carbon
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